基于matlab的通信原理实验课程设计

黄 琳，曹杉杉，熊旭辉

(1.湖北师范大学 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002；2.湖北师范大学 文理学院，湖北 黄石 匠35000)

基于matlab的通信原理实验课程设计

黄 琳1，2，曹杉杉1，2，熊旭辉1，2

(1.湖北师范大学 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002；2.湖北师范大学 文理学院，湖北 黄石 匠35000)

根据通信原理的课程特点及硬件实验教学存在的问题，提出了利用matlab/simulink进行软件仿真的实验教学方法。介绍了模拟/数字调制技术、数字脉冲编码调制技术、数字基带编码技术的仿真模型，并对其进行了分析。分析表明，基于matlab/simulink的通信原理课程实验教学方法有助于学生对通信原理理论知识的理解，可以提高学生的动手能力，提升课程的教学效果。

通信原理；实验教学；matlab；Simulink

0 引言

《通信原理》是高校电子信息、通信类学生的一门专业基础课程，它与高等数学、信号与系统、概率论等先修课程联系紧密，又影响着移动通信、光纤通信、交换技术等课程的学习。因此，学习好这门课程对学生今后的学习非常重要。《通信原理》课程具有理论性强、概念抽象，需要较强的数学功底等特点。为了提高学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的理解，提高通信原理实践教学质量，将抽象的通信理论与信号波形联系起来，使其生动化、具体化，是提高整个课程教学质量的有效途径。同时，通过实践教学的加强，可以训练学生分析问题，解决问题的能力，提高学生的动手能力[1]。

1 目前的实验课程

目前，通信原理实验课程主要利用实验箱进行验证性实验。实验过程中，学生只需要按照说明书连接导线、跳线等，然后通过示波器观察波形。这种验证性的实验真正需要学生思考和动手的机会不多[2]。实验结果受硬件局限性大，当实验波形效果不理想时，能调节和修改的地方很少，实验目的难以达到[3，4]。利用matlab或者simulink进行软件仿真实验设计，对课本的理论知识，进行软件仿真实现。仿真的过程，需要学生对所学知识有着透彻的理解，仿真建模的过程培养了学生编程能力和思考能力。另外，软件仿真对实验条件要求简单，只需要一台电脑就可以，实验场地灵活；实验过程中可以方便的调整模块参数，修改程序，以达到最佳的波形效果，实验过程灵活。

为了弥补实验箱验证性实验教学的不足，笔者对通信原理课程的实践环节进行了软件仿真实验设计。形成以验证性实验为基础，软件仿真设计为补充的实验教学模式。在软件仿真实验设计过程中，利用matlab和simulink建立动态的仿真模型。学生通过自己动手对各种通信技术进行仿真设计，理解技术原理，调节设计参数，观察技术性能，不仅加深了学生对理论知识的理解，同时掌握了利用软件进行通信仿真的方法，还提高了软件编程能力。

2 软件仿真实验设计

《通信原理》课程的主要内容是信道、模拟调制解调技术、数字调制解调技术、数字基带传输系统、脉冲编码调制技术(PCM)等。软件仿真实验主要针对这几部分的内容做仿真模拟[5]。其中模拟/数字调制解调技术、脉冲编码技术利用simulink模块进行仿真实验，数字基带传输系统利用matlab进行编程实现。

2.1模拟调制技术仿真

最常见和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制[5]，仿真模型图如图1所示：

图1 模拟调制技术仿真模型

在图1中，随机整数产生器模块 (Random Integer Generator)用来产生消息信号，它与Constant模块和Subtract模块一起产生均匀分布的随机整数。学生可以利用其它的消息产生模块产生需要的信号源消息。调幅模块(DSB AM Modulator Passband)对消息信号进行幅度调制。该模块需要学生设置的参数有：调幅信号的直流信号A0的大小、调幅信号的载波频率、调幅信号载波的初始相位。学生可以通过这三个参数的设置，产生不同调制效率的调幅信号。调幅信号解调模块(DSB AM Demodulator Passband1)解调接收到的信号。上支路是解调没有噪声的调制模块，下支路解调通过AWGN信道后的调制信号。解调模块的直流信号大小、载波频率和初始相位3个参数的值与调制模块一致，低通滤波器的分子和分母系数参数用来设置滤波器，学生可以通过调整滤波器以达到最佳的解调效果。Quantuzer1、math function、mean、constant1、divide和AWGN channel模块共同产生信噪比为20dB的高斯信道。在解调出信号后，通过Bessel低通滤波器滤除信号高频分量。

图2 理想信道下解调信号波形

图3 高斯信道下解调信号波形

4个示波器(Scope1～Scope4)分别用来查看原始信号波形，通过AWGN信道后的解调信号波形，通过AWGN信道后的调制信号波形以及理想信道下的解调信号波形(如图2、图3所示)。由图2和图3可以看到，在理想环境下，可以较好的解调出发送的基带信号。AWGN信道环境下，由于信道噪声的影响，解调后的信号信噪比下降。学生可以将模型中的AM模拟调制技术换成双边带调制或者单边带模拟调制，对比分析各种模拟调制技术的抗噪声性能。还可以通过增加频谱仪模块来观察调制及已调信号的频谱情况，了解调制解调对信号频谱产生的影响。

2.2数字调制技术仿真

数字调制与模拟调制的基本原理相同，完成调制信号与带通信道相匹配[5]，其仿真模型如图4所示：

图4 数字调制技术仿真模型图

Integer to Bit Converter 模块将信号源输出的随机整数转换为二进制比特送入MPSK基带调制器进行相位调制。调制输出信号经过高斯信道后送入接收端相应的MPSK解调器模块进行解调。调制器和解调的参数设置应该一致，调制器的输入数据为比特类型，解调器输出的数据类型也为比特。学生可以设置调制器的进制数来仿真各种多进制的相移键控方式，也可以将相移模块改为其他的数字调制技术模块，来仿真其他的数字调制技术，分析各种数字调制技术的性能。数据映射方式设置为普通二进制方式或格雷码方式。信源发送的数据与接收端解调数据进行比较得出仿真系统的误比特率。

高斯信道的噪声方差不同时，系统误码率也不一样，在仿真实验的过程中，可以调整信道的噪声方差，来比较不同的数字调制技术的抗噪声性能。当信道中加入的高斯噪声方差为0.02，采用8PSK调制时，发送和接收信号的星座图如图5和图6所示，对比星座图可以看出信道噪声对信号的影响。数据映射方式设置为普通二进制方式，信道噪声方差为0.05时，得出错误比特数为241个，相应的误码率为0.008033；而将数据映射方式改为格雷码方式，其他参数不变，相同的仿真时间内错误比特数为141个，相应的误比特率为0.0047。这说明在数字调制过程中，格雷码的映射方式优于普通二进制映射。

图5 8PSK发送信号星座

图6 8PSK接收信号星座图

2.3PCM编码器

PCM编码完成模拟信号与数字信号的转换[5]。PCM编码技术仿真实验模型如图7所示。该图模拟了一个13折线近似的PCM编码器，该模型将[-1,1]内的归一化信号样值编码为8位二进制输出。图中，Saturation为限幅器，限制输入信号的幅度值。Relay的门限设置为0，其输出可以作为PCM编码的极性码。Abs模块将输入的样值取绝对值，由Look-UP Table模块进行13折线压缩。Gain模块将压缩后的样值范围放大到0～127,然后用Quantizer量化器进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列。学生可以输入不同的样值进行PCM检验测试，还可以在各功能模块的输出增加scope示波器模块，查看编码过程中信号的波形变化。

图7 PCM编码技术仿真模型

2.4HDB3码编码实验

HDB3码的编码规则是：检查消息码中“0”的个数，当连“0”数目小于三时，消息码中非“0”码极性正负交替；当连“0”数目超过3时，将每4个连“0”替换为B00V,V码与前一个相邻的非“0”码极性相同，B的取值可选0，+1或者-1以使相邻的V码之间极性交替；V码后面的非“0”码极性也要交替。HDB3码编码比较复杂，解决了当原信码出现连“0”串时，信号电平长时间不跳变，无法提取定时信号的问题[5]。HDB3码应用广泛，A律PCM四次群以下接口码型均为HDB3码。

根据学生的编程能力，将实验分为不同的难度等级。编程能力较强的学生可以根据编码原则自己设计程序流程，然后编写程序实现；有一定程序编写能力的学生，可以给出程序流程图，对流程图进行讲解，然后要求学生对着流程图编写程序；对编写能力较差的学生，可以采取完型填空的实验方法：首先讲解程序流程图，然后给出对应的部分程序，要求学生把程序填写完整。实验过程中，学生根据自己的能力做相应的实验练习。

3 结束语

通信原理这门课程理论性较强，在课程的教学过程中，为了提高学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力。实验教学作为理论教学有效的补充，不仅可以加深学生对理论知识的理解，还可以锻炼学生的动手能力。采用实验箱的等硬件设备进行实验教学，成本昂贵，技术更新困难。利用matlab/Simulink软件进行仿真实现，可以方便直观地展示信号状态变化，反映物理概念，更有利于学生对理论知识的理解。另外，学生通过对仿真参数的设计和程序代码的编写，可以掌握matlab/Simulink软件的通信仿真方法，培养学生的思考能力。

[1]许正荣,贾贤龙,李 阳,等.通信原理实验教学改革与实践[J].实验技术与管理,2013,30(4):171～174.

[2]徐升槐,范勤儒.通信原理实验课程教学研究[J].实验技术管理,2011,28(1):65～66.

[3]邓红涛,查志华,张锐敏.Simulink在通信原理教学中的综合应用[J].教育教学论坛,2012(3):211～212.

[4]徐彦凯,双 凯,姜 珊.通信原理实验教学的探索[J].实验室研究与探索,2011,30(6):316～318.

[5]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M]. 北京:国防工业出版社,2012.

Abstract: According to the characteristics of communication principle course and the problem of current hardware experiments, this paper proposes a practice teaching way which simulates the communication principle based on matlab/Simulink. The simulation models of analog modulation and demodulation, digital modulation and demodulation, pulse code modulation, Digital baseband coded technology are introduced in this paper. By the analyze，we can see that software simulation experiment in communication principle can not only help students to understand communication system, but also improve their practical ability. Moreover, it can raise the teaching effect.

Keywords: communication principle; practice teaching; matlab; Simulink

Thedesignbasedonmatlabforpractiseteachingsystemincommunicationprinciplecourse

HUANG Lin，CAO Sha-sha，XIONG Xu-hui

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University,Huangshi 435002,China 2.College of Arts and Science and Techology, Hubei Normal University,Huangshi 435000)

TN911

A

2096-3149(2017)03- 0094-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.03.018

2017—03—21

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划(T201430)

黄琳(1981— )，女，湖北黄冈人，讲师，硕士，研究方向为移动通信.